■王金露 朱賢皓 艾四芽 鮑丹宇 許 坤 余潔歆 許 莉

（1.福州市城鄉(xiāng)建設(shè)局，福州 350000；2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州 350108；3.福建省交通科技發(fā)展集團有限責(zé)任公司，福州 350004；4.福建省二建建設(shè)集團有限公司，福州 350003；5.北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點實驗室，北京 100124；6.福建江夏學(xué)院工程學(xué)院，福州 350108）

隨著我國許多大型工程的興起，傳統(tǒng)施工管理方式的弊端逐漸進入工程設(shè)計師的視野，有部分學(xué)者研究了傳統(tǒng)施工的弊端，同時也有不少學(xué)者發(fā)現(xiàn)了BIM-4D 的創(chuàng)新之處，目的在于解決我國現(xiàn)有工程中的難點問題。 程立祥[1]表明施工作業(yè)的條件較復(fù)雜，不確定因素較多，無法準(zhǔn)確預(yù)測施工中可能出現(xiàn)的情況；喬亞妮[2]總結(jié)出傳統(tǒng)施工管理需要大量的人工測量、誤差分析以及后期檢測，才能確保工程不會出現(xiàn)安全隱患；溫海燕[3]表示BIM-4D 能夠編制時間進度表，將建設(shè)項目的施工工程通過三維模型表現(xiàn)出來，能夠提早模擬施工全過程，提前對施工進行分析，并提供依據(jù)和參考，以便工程施工管理的控制和優(yōu)化，從而減少施工中埋藏的工程隱患。BIM-4D 技術(shù)具有簡潔智能、直觀高效、能實現(xiàn)隱患排查以及實時施工模擬等優(yōu)點，能很大程度上解決傳統(tǒng)施工技術(shù)的弊端。知曉BIM-4D的優(yōu)點，擺明傳統(tǒng)施工技術(shù)的缺點，并了解如何利用BIM 破解這些問題，才能更有效地利用BIM-4D 技術(shù)。

1 傳統(tǒng)施工管理的弊端與創(chuàng)新分析

目前，我國大多數(shù)的工程管理皆按照傳統(tǒng)的二維圖紙和已有的經(jīng)驗進行施工。 但隨著我國大型工程的興起，體量大、周期長、工序多對傳統(tǒng)施工管理方法是巨大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)二維施工圖紙存在容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺漏，且立面圖、剖面圖不夠直觀等問題[4]。當(dāng)工程體量加大、結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜時，傳統(tǒng)施工管理的缺陷便會體現(xiàn)出來：如果建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、管道等各個單位協(xié)調(diào)不充分，那么各個構(gòu)件和管線就會發(fā)生沖突和碰撞， 造成不必要的停工甚至返工，極大地影響施工的進度，增大工程的投資損耗；在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系下，依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗對施工設(shè)計的可行性、 控制優(yōu)化以及后期的事故進行分析和預(yù)測，很有可能會由于思維慣性忽略一些重要因素，舍本逐末，更無法繼續(xù)開展精確的定量分析[4]。

技術(shù)進步與經(jīng)濟增長促進了我國土木工程行業(yè)長遠持續(xù)發(fā)展，亟需改進我國傳統(tǒng)的施工管理方式，順其本源，從其弊端上找到創(chuàng)新的突破口。 二維圖紙不直觀，則考慮是否能建立3D 模型甚至4D 模型，將信息數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型當(dāng)中，讓原本體量大、結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜的工程濃縮至簡單直觀的模型，且各個單位皆可通過此模型進行交流與分析，從而改善因二維圖紙的缺陷帶來的一系列問題。 在施工質(zhì)量方面，由于慣性思維與已有經(jīng)驗或許存在缺陷，可能會使設(shè)計方案中存在安全隱患，因此還欠缺一套可以檢測施工品質(zhì)的體系，考慮能否引入智能且自動化的技術(shù)對一系列數(shù)據(jù)進行充分比對，模擬現(xiàn)場施工，對施工質(zhì)量進行實時全面的監(jiān)測[5]，從而發(fā)現(xiàn)問題所在。 從以上幾點出發(fā)，課題組想到近年來風(fēng)靡土木工程行業(yè)的BIM-4D 技術(shù)，若運用得當(dāng)，能夠很好地解決傳統(tǒng)施工技術(shù)的缺陷問題。

2 BIM-4D 模擬技術(shù)的優(yōu)點及技術(shù)手段

2.1 BIM-4D 模擬技術(shù)的優(yōu)點

BIM-4D 模擬技術(shù)是把設(shè)計階段創(chuàng)建的3D 模型加上時間的維度， 與施工進度計劃進行關(guān)聯(lián)，包含質(zhì)量、資源、安全、成本，按照各個單位的需求提前模擬現(xiàn)場施工過程，實現(xiàn)虛擬建造，使施工全過程能夠直觀地向人們展示[6]。BIM-4D 模擬技術(shù)除了能實現(xiàn)虛擬建造，實現(xiàn)施工過程的可視化，還能結(jié)合施工現(xiàn)場的環(huán)境、施工進度等對原先的施工管理方案進行客觀評價以及相應(yīng)的修改。 此功能需要時刻依賴BIM-4D 技術(shù)實時監(jiān)測施工現(xiàn)場，并實時采集施工數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)采集功能依靠先進的技術(shù)手段，目前三維坐標(biāo)的采集有2 種方法：照相機測量技術(shù)和激光掃描技術(shù)[7]。BIM-4D 實現(xiàn)了施工進度的監(jiān)測和成本的掌控，并在施工期間對先前的方案進行更改。 利用完善的數(shù)據(jù)4D 模型，可以改進施工交互，顯著改善返工和漏工問題，使施工人員更好地理解施工操作過程，提高施工、運營管理效率，提前排查施工作業(yè)中埋藏的安全隱患。

針對傳統(tǒng)施工管理的缺點，BIM-4D 模擬技術(shù)可以高效地提供各個單位所需的所有數(shù)據(jù)信息，提高施工工程各方面的運營管理效率， 增強各個項目參與者的協(xié)調(diào)性，減小構(gòu)件、管線沖突與碰撞的可能性。 BIM-4D 模擬技術(shù)可自動計算工程材料用量，為施工作業(yè)提供完善的設(shè)計方案，為工程計算提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫， 從而避免傳統(tǒng)施工管理中慣性思維和傳統(tǒng)經(jīng)驗的弊端，使施工設(shè)計的可行性提高，對后期事故的分析與預(yù)測也更加的精確周密。

2.2 BIM-4D 模擬技術(shù)的技術(shù)手段

由圖1 可知，4D 技術(shù)主要在平臺層、模型層、應(yīng)用層施展。 平臺層包含BIM 數(shù)據(jù)集成與管理平臺以及4D 可視化平臺。 BIM 數(shù)據(jù)集成平臺可以快速地對施工數(shù)據(jù)進行讀取、保存、提取、集成、驗證構(gòu)件具有信息的數(shù)據(jù)模型[8]。 4D 可視化平臺提供了視圖變換、圖形控制、動態(tài)漫游等功能，如圖2 所示，對后續(xù)施工過程、運營維護起到了至關(guān)重要的作用。

圖1 工程施工BIM 應(yīng)用的技術(shù)架構(gòu)

圖2 BIM-4D 實現(xiàn)漫游、二次裝修以及事故緊急預(yù)案展示

模型層是將平臺層所收集的信息分成若干子信息模型，包括：4D 施工優(yōu)化子信息模型、4D 施工管理子信息模型、4D 施工安全子信息模型、施工現(xiàn)場動態(tài)時空子信息模型、 項目綜合管理子信息模型[9]。 將數(shù)據(jù)模型分類后能提高BIM-4D 模型效率，使其更加智能化。

應(yīng)用層是基于模型層的應(yīng)用系統(tǒng)， 也是BIM-4D 技術(shù)在功能上展現(xiàn)的重要一環(huán)， 包括BIM-4D技術(shù)施工過程模擬與優(yōu)化、BIM-4D 施工進度、資源、成本及場地動態(tài)管理、BIM-4D 施工安全與沖突分析、設(shè)計與施工碰撞檢測、項目綜合管理等[8]。

各層環(huán)環(huán)相扣，構(gòu)成了BIM 工作的技術(shù)架構(gòu)，最終實現(xiàn)了豐富的功能應(yīng)用。由于BIM-4D 擁有以上功能應(yīng)用，其相較于傳統(tǒng)施工管理能夠更智能地實現(xiàn)先模擬后建造的活動[10]，可以提前分析出施工作業(yè)中的難點以及關(guān)鍵點，減少施工周期，降低施工成本。

3 BIM-4D 技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用

3.1 工程概況

福州工業(yè)路某項目改造工程（圖3）為城市主干道，主路設(shè)計速度50 km/h，輔路設(shè)計速度40 km/h，改造起于K0+730，止于K1+500，改造長度1.77 km，改造寬度40 m。 主路新建高架橋起于K0+730， 止于K0+230，長度為500 m，標(biāo)準(zhǔn)寬度為18 m；主線新建高架橋起于K1+935， 止于K2+500 長度為565 m，標(biāo)準(zhǔn)寬度為18 m；輔路為路面擴寬改造。

圖3 福州工業(yè)路改造工程

其施工難點主要為：（1）地下二維管線綜合圖紛繁復(fù)雜，雖有部分剖面圖，能表現(xiàn)上下層關(guān)系，但大部分地方不夠直觀；（2）項目面臨人車流量大、地下管線復(fù)雜、施工操作工作面狹窄等問題，如何制定合理、有效的交通導(dǎo)改方案；（3）工業(yè)路與楊橋中路頂管位置地下管線復(fù)雜、與地鐵盾構(gòu)區(qū)間距離較近，如何控制頂管安全施工；（4）施工任務(wù)重，工期緊張。

3.2 BIM-4D 模擬技術(shù)在應(yīng)用成果上的優(yōu)勢

3.2.1 搭建標(biāo)準(zhǔn)化族庫彰顯簡潔智能

工業(yè)路地下管線復(fù)雜，工程量大，針對此難點，BIM 在項目開展前期，采集并集成工業(yè)路改造項目所需的主要族文件，并在項目開展過程中通過BIM 的照相機測量技術(shù)以及激光掃描技術(shù)逐步將數(shù)據(jù)庫擴充，目前已經(jīng)完成項目部、地下管線、交通導(dǎo)改、頂管、新建橋梁部分族庫搭建，如圖4所示，族庫擁有100 余個族文件，滿足基本項目各階段應(yīng)用需求。 對于體量龐大的工程，其不同類型族庫的建立可以使數(shù)據(jù)充分保留，避免傳統(tǒng)施工中人為因素引起的缺失，并且在操作上也擺脫了普通圖紙與表格的束縛，使操作起來更加簡潔，智能。

圖4 工業(yè)路部分?jǐn)?shù)據(jù)族庫

3.2.2 搭建虛擬模型彰顯直觀高效

工業(yè)路工程量大，圖紙紛繁復(fù)雜。 針對傳統(tǒng)二維圖紙不夠直觀的問題， 施工方采用了BIM 技術(shù)。BIM 后期為不同作業(yè)搭建多個的虛擬模型將傳統(tǒng)二維圖紙上的圖形以3D 甚至是4D 的形式更加直觀地展示出來，如圖5 所示，將體量龐大的工程濃縮至一個信息模型上，從而讓施工單位能夠更充分地理解設(shè)計方案，提高了施工作業(yè)的效率。

圖5 工業(yè)路新建高架橋的虛擬模型

3.2.3 設(shè)計審查以及碰撞檢測實現(xiàn)隱患排查

工業(yè)路高架橋上部均為鋼結(jié)構(gòu)，對數(shù)據(jù)和模型精度要求較高， 模型搭建完畢后，BIM 可對內(nèi)部細節(jié)進行檢查，如圖6 所示，減少因設(shè)計工作不完善而導(dǎo)致的問題，防止各類建設(shè)項目管理、設(shè)計環(huán)節(jié)和成本環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題。 BIM-4D 技術(shù)將設(shè)計方案進行模擬，不僅可以對設(shè)計工作進行成本核算和模擬工作，減少設(shè)計師因慣性思維引起的設(shè)計失誤，還可以在時間維度上利用工程建設(shè)的視覺和動態(tài)功能，高效地開展工程設(shè)計工作。

圖6 設(shè)計審查過程中發(fā)現(xiàn)Y8 墩柱模型上數(shù)據(jù)的差異問題

工業(yè)路與楊橋中路頂管位置地下管線復(fù)雜、與地鐵盾構(gòu)區(qū)間距離較近， 確保施工安全極為重要，需及時檢測安全威脅，并實施相應(yīng)措施進行防范。 在工業(yè)路改造工程中，因傳統(tǒng)施工無法精確、快速地監(jiān)測到安全隱患， 故采用了BIM 當(dāng)中的碰撞檢測功能，在實際施工前，檢測是否有構(gòu)件發(fā)生碰撞，如圖7 所示，預(yù)測施工作業(yè)中埋藏的安全隱患； 利用信息技術(shù)對施工現(xiàn)場的各類數(shù)據(jù)進行采集，并與數(shù)據(jù)庫作比對分析，及時發(fā)現(xiàn)存在的設(shè)計問題。利用BIM 技術(shù)的優(yōu)勢，在施工前就能預(yù)測安全隱患所在，并快速鏟除，降低了返工的概率，也確保了施工以及后期工程的安全， 避免了傳統(tǒng)施工的弊端。

圖7 污水管與樁基的碰撞檢測功能

3.2.4 施工模擬實現(xiàn)施工進度實時監(jiān)測

工業(yè)路人車流量大，需要實時監(jiān)測施工作業(yè)的進度情況。 針對傳統(tǒng)施工無法實時監(jiān)測施工進度的缺點，如圖8 所示，將BIM 與施工進度結(jié)合，不但使施工單位可以及時監(jiān)測施工進度，后續(xù)還能夠按照現(xiàn)實情況及時地進行調(diào)控，這些創(chuàng)新是傳統(tǒng)施工所欠缺的。通過BIM 的模擬技術(shù)將多種施工管理方案進行模擬實施，可以快速地發(fā)現(xiàn)不同設(shè)計方案的優(yōu)勢和缺陷，暴露設(shè)計方案中的問題，以得出最佳的施工方案。 同時，對于原先無法模擬項目中的難點，皆可以精確到時、分甚至秒進行模擬。 利用BIM-4D 實時監(jiān)測工地施工進度， 同時收集整理各項目進度的數(shù)據(jù)信息并反饋至BIM 模型，再將施工完成的部分作為今后施工的依據(jù)與約束，不斷更新后續(xù)工程作業(yè)使施工項目達成目標(biāo)，符合最終標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 三維方式展示施工進度組織

3.2.5 實現(xiàn)Dynamo 參數(shù)化建模

Dynamo 是基于Revit 的參數(shù)化設(shè)計的一個輔助工具，借助其豐富、強大的功能，與Revit 配合使用，可提高BIM 建模效率。Dynamo 屬于一種可視化的編程工具，如圖9 所示，它可以將Excel 的表格數(shù)據(jù)信息、三維數(shù)據(jù)信息、BIM 的構(gòu)件指令信息等進行聯(lián)動，從而實現(xiàn)一些更復(fù)雜的，批量重復(fù)性的操作，減輕因工程復(fù)雜而造成的巨大建模量。 在福州工業(yè)路工程項目當(dāng)中的高架橋梁部分，由于構(gòu)件類型復(fù)雜，構(gòu)件族類繁多，構(gòu)件信息十分龐大，因此BIM 借助Dynamo 的二次開發(fā)對承臺、橋墩、蓋梁、箱梁進行參數(shù)化建模，如圖10 所示，通過讀取Excel 中橋梁參數(shù)數(shù)據(jù)，快速準(zhǔn)確地對應(yīng)、匹配至高架橋梁部分的幾何模型，進行參數(shù)化建模。 引入此項技術(shù)避免了因構(gòu)件位置、類型的不同而放大工程建模量的弊端，打破了手動導(dǎo)入?yún)?shù)信息的模式，從而有效地提高BIM 建模效率。

圖9 Dynamo 實現(xiàn)參數(shù)化模型

圖10 橋面參數(shù)化建模

4 結(jié)語

本文闡述了傳統(tǒng)施工管理的弊端，提出在3D的基礎(chǔ)上引入時間維度造就的BIM-4D， 為所有施工參與者提供了一個順暢溝通和共同協(xié)作的工作平臺；其為橋梁工程施工完善設(shè)計、識別安全隱患、減少施工周期、降低施工成本做出了重大貢獻；其搭建虛擬模型、設(shè)計審查、碰撞檢測以及施工模擬的功能解決了施工過程中可能出現(xiàn)的安全隱患，降低了因慣性思維、設(shè)計誤差造成的返工可能性。